CN111737864B - 多维多向负刚度超材料结构及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一类多维多向负刚度超材料结构及其实现方法，采用布拉菲点阵为负刚度超材料“骨架”，在每个点阵点处布置一个负刚度基元作为基本微结构，设置相邻负刚度基元之间通过短直梁连接，本发明能够实现二维和三维的在多个方向同时呈现负刚度效应的超材料构型，构成超材料的基元构型尺度不受限制，可以是微观材料(小于或等于1mm)和宏观结构(大于或等于1mm)，丰富了负刚度超材料的应用场景。

Description

多维多向负刚度超材料结构及其实现方法

技术领域

本发明涉及的是一种超材料结构设计领域的技术，具体是一类多维多向负刚度超材料结构及其实现方法。

背景技术

变刚度超材料是指超材料在变形过程中因结构变化而具备多种刚度特性，其中屈曲型负刚度超材料在外载荷作用下发生弹性屈曲，位移增加而作用力减小，呈现负刚度效应。不同于传统蜂窝超材料通过塑性变形吸收能量，负刚度超材料在压缩载荷作用下表现出可恢复的弹性变形，因此具备可重复使用的优势。

预制余弦形曲梁的初始形状可表示为w₀(x)＝h/2·[1-cos(2πx/l)]，其中参数l为两端点连线长度，称为曲梁的跨长，h为梁中点到两端点连线的距离，称为曲梁的拱高。该梁在中点受集中力作用时发生屈曲而产生负刚度效应，被广泛用作负刚度超材料微结构中的基本负刚度元素。基于余弦形曲梁的负刚度超材料在其余弦形曲梁中点法线方向受压时，此方向上力-位移关系呈现局部斜率为负的效应，因此作为负刚度超材料实际使用中的主受力方向，具有重要的意义，负刚度超材料在该方向上具有良好的抗冲击吸能特性。

现有技术在设计基于余弦形曲梁的负刚度超材料时，以二维平面构型为主，并且大部分仅在一个方向上具有负刚度效应。此外，在设计构型时仅考虑了某个特定的方向，无法实现任意的承载角度。因此，为了使负刚度超材料具有更普遍的适用性，发挥其在抗冲击吸能材料领域的优势，设计和研究二维和三维的在多个具有任意夹角的方向同时呈现负刚度效应的超材料，具有极其重要的科学意义和广阔的应用前景。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN106960096A，记载了一种三维负刚度蜂窝结构及其制备方法，通过3D打印制备或者切割板的方式制备嵌片，并在嵌片上开槽，通过槽嵌锁到一起，并进行钎焊，最终制成三维负刚度蜂窝结构。但该技术整体占用体积较大，空间利用率不高；结构仅在一个方向上呈现负刚度效应，载荷必须严格施加于该方向，因此无法适用于多轴受载工况。

发明内容

本发明针对现有负刚度超材料种类有限且类似，以及多数构型仅在一个方向上具有负刚度效应的问题，提出一类多维多向负刚度超材料结构及其实现方法，能够实现二维和三维的在多个方向同时呈现负刚度效应的超材料构型，构成超材料的基元构型尺度不受限制，可以是微观材料(小于或等于1mm)和宏观结构(大于或等于1mm)，丰富了负刚度超材料的应用场景。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一类多维多向负刚度超材料结构的实现方法，采用布拉菲点阵为负刚度超材料骨架，在每个点阵点处布置一个负刚度基元作为基本微结构，设置相邻负刚度基元之间通过短直梁连接。

所述的短直梁的两端分别为两个相邻基元的两组负刚度梁的中点，短直梁的轴线与这两组负刚度梁的方向重合，负刚度基元中负刚度余弦形曲梁方向和该基元与相邻基元的连线方向相同。

所述的负刚度基元为周期性负刚度超材料的基本微结构，包括余弦形曲梁及其支撑框架。

所述的布拉菲点阵包括：二维点阵和三维点阵。

所述的负刚度梁是指：平面或空间余弦形曲梁，其方向定义为余弦形轴线平面内过梁中点的法线方向。

本发明涉及上述方法得到的多维多向负刚度超材料结构，包括：

1)6种二维双向负刚度超材料；

2)1种二维三向负刚度超材料；

3)5种三维三向负刚度超材料；

4)2种三维四向负刚度超材料；

5)1种三维六向负刚度超材料。

构成超材料的基元构型尺度不受限制，可以是微观材料(小于或等于1mm)和宏观结构(大于或等于1mm)。

所述的多维多向负刚度超材料的力学特性根据屈曲梁几何参数的不同而相应不同，单个余弦形曲梁的力学性质包括但不限于单调递增力-位移关系、单稳态非单调负刚度力-位移关系、双稳态非单调负刚度力-位移关系。

本发明涉及上述多维多向负刚度超材料结构的制造方法，包括：

1)通过3D打印技术直接成型；

2)通过常规加工方式分别制成屈曲构件与支撑构件，经包括但不限于粘接、焊接、熔合组装成型。

本发明涉及上述多维多向负刚度超材料结构的应用，作为增加强度的填充材料和/或传感材料。

所述的增加强度，包括但不限于运动、武器攻击、工作操作工具内的填充材料、运载工具、工业结构、设备或装置内的填充材料。

所述的传感材料，设置但不限于电子系统中的多稳态传感器、执行器、开关、流体泵、继电器。

技术效果

本发明整体解决了现有的屈曲型负刚度超材料以二维平面负刚度超材料为主，多数构型仅在一个方向上具有负刚度效应，以及在设计构型时仅考虑了某个特定的方向，无法实现任意的承载角度的技术问题。

与现有技术相比，本发明实现了二维和三维的在多个具有任意夹角的方向同时呈现负刚度效应的超材料，给出的负刚度超材料构型对于维度和角度具有普遍的适用性，具备单向负刚度超材料无法实现的承载效果。本发明提供的负刚度超材料基于多个负刚度轴可以同时满足多个受力方向上的承载和变形需求，并根据实际需求定量地灵活设计不同方向的负刚度梁几何参数，实现不同方向上具有不同的力学性质。本发明提供的负刚度超材料在同一个基元内部实现了多个负刚度方向，构型简单方便，提高了结构的空间利用率，同时各个轴上的负刚度行为具有良好的独立性。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为简单正方二维双向负刚度超材料构型示意图；

图3为简单长方二维双向负刚度超材料构型示意图；

图4为中心长方二维双向负刚度超材料构型示意图；

图5为简单斜方二维双向负刚度超材料构型示意图；

图6为简单六角二维双向负刚度超材料构型(基矢夹角120°)。

图7为简单六角二维双向负刚度超材料构型(基矢夹角60°)。

图8为简单六角二维三向负刚度超材料构型示意图；

图9为简单三斜、底心单斜、简单三方三维三向负刚度超材料构型示意图；

图10为简单单斜、底心正交三维三向负刚度超材料构型示意图；

图11为简单正交、简单四方、简单立方三维三向负刚度超材料构型示意图；

图12为体心正交、体心四方、体心立方三维四向负刚度超材料构型示意图；

图13为面心正交、面心立方三维六向负刚度超材料构型示意图；

图14为简单六方三维三向负刚度超材料构型(基矢夹角分别为120°和60°)。

图15为简单六方三维四向负刚度超材料构型示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种多维多向负刚度超材料设计方法，具体包括：

1)以二维或三维布拉菲点阵为负刚度超材料骨架，具体包括5种二维点阵和14种三维点阵；

2)在每个点阵点处布置一个负刚度基元，负刚度基元为周期性负刚度超材料的基本微结构，包括余弦形曲梁及其支撑框架；

3)设计负刚度基元的构型，使负刚度基元之间通过短直梁连接，短直梁两端分别为两组负刚度梁(分别属于两个基元)的中点，短直梁轴线与这两组负刚度梁的方向重合，同时确保负刚度基元中负刚度余弦形曲梁方向恰好是与相邻基元的连线方向，其中：负刚度梁指平面或空间余弦形曲梁，其方向定义为余弦形轴线平面内过梁中点的法线方向。

因此，超材料能够呈现负刚度效应的方向的数目由基元具有的负刚度轴向的数目决定，通过在负刚度基元内部设计多个负刚度轴，实现超材料在多个方向具有负刚度效应的目的。

如图2～图8所示，本实施例中所设计的二维负刚度超材料在多个轴上具有负刚度性质。其中超材料基元包括余弦形曲梁1和支撑框架2，图中虚框线表示布拉菲格子，箭头线则表示原胞基矢，细线表示负刚度超材料基元。

由图6和图7两种不同的简单六角二维双向负刚度超材料，合成为一种二维三向负刚度超材料，如图8所示。超材料基元包括余弦形曲梁1和支撑框架2，其在夹角互为120度的3个共面轴上均具有负刚度特性，将其命名为简单六角二维三向负刚度超材料。对于三维点阵，原胞基矢数为3，所设计的超材料在多个轴上具有负刚度性质。

如图9～图15所示，本实施例中三维负刚度超材料与二维相比，相邻基元在连接处不再是一对负刚度梁，而是一对负刚度受力面，这个受力面在基元内部由两个或多个负刚度梁连接。

根据本发明提供的多维多向负刚度超材料设计方法，布拉菲格子原胞基矢的长度关系只影响负刚度基元的尺寸大小，而不改变负刚度基元的基本构型。因此将14种三维布拉菲点阵分为以下6类：

a)简单三斜、底心单斜、简单三方；

b)简单单斜、底心正交；

c)简单正交、简单四方、简单立方；

d)体心正交、体心四方、体心立方；

e)面心正交、面心立方；

f)简单六方。

根据第1类三维点阵设计负刚度超材料，即简单三斜、底心单斜与简单三方。这3种三维点阵的共同特点是它们的原胞基矢夹角均不等于90°，所设计的负刚度超材料基元如图10所示。超材料基元包括余弦形曲梁1和支撑框架2。前3个图为其空间视图，后3个图分别为某两个基矢所在平面的正视图。

第2类三维点阵为简单单斜和底心正交，这两种三维点阵的共同点是原胞的3个基矢夹角中有两个是90°，所设计的负刚度超材料基元如图10所示。超材料基元包括余弦形曲梁1和支撑框架2。前3个图为其空间视图，后3个图分别为某两个基矢所在平面的正视图。

第3类三维点阵为简单正交、简单四方和简单立方，这3种三维点阵的共同点是原胞的3个基矢夹角均为90°，所设计的负刚度超材料基元如图11所示。超材料基元包括余弦形曲梁1和支撑框架2。前3个图为其空间视图，后3个图分别为某两个基矢所在平面的正视图。

对于体心正交、体心四方、体心立方等3种点阵，在晶胞四个体对角线方向均设置负刚度受力面，实现一种三维四向负刚度超材料，如图12所示。超材料基元包括余弦形曲梁1和支撑框架2。

第5类三维点阵为面心正交和面心立方，在所有的6个原胞基矢定义方向均设置负刚度受力面，实现一种三维六向负刚度超材料，如图13所示。超材料基元包括余弦形曲梁1和支撑框架2，其中：子图(a)为基元三维视图，(b)为基元内12个负刚度受力面的方向，(c)～(e)为其正视图、侧视图与俯视图，(f)～(i)为基元在点阵格子中的位置及某一基矢平面上的视图。

第6类三维点阵为简单六方，简单六方三维布拉菲点阵的特点是晶胞基矢长度a＝b≠c，夹角α＝β＝90°、γ＝120°，对应设计的负刚度超材料基元，如图14(a)～(b)所示，等价于第2类简单单斜与底心正交负刚度超材料在底面夹角为120°时的情形。当夹角γ取60°时，对应另一种形式的负刚度超材料基元构型，如图14(c)～(d)所示，称这两种负刚度超材料为简单六方三维三向负刚度超材料，其超材料基元包括余弦形曲梁1和支撑框架2。

如图15所示，将图14中两种构型的基矢选取方式叠加，形成三维四向负刚度超材料基元，其超材料基元包括余弦形曲梁1和支撑框架2，其中：子图(a)为基元三维视图，(b)为基元在点阵格子中的位置，(c)～(f)分别为四个负刚度轴的正视图。

本发明通过在负刚度超材料基元内设置多个负刚度轴，实现了二维和三维的在多个具有任意夹角的方向同时呈现负刚度效应的超材料设计，同时，超材料基元内不同方向的负刚度梁几何参数可以根据实际需求灵活选取，可适用于超材料结构在多个方向同时受载的场景。所提供的负刚度超材料基于多个负刚度轴可以同时满足多个受力方向上的承载和变形需求，并根据实际需求定量地灵活设计不同方向的负刚度梁几何参数，实现不同方向上具有不同的力学性质。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种多维多向负刚度超材料结构，其特征在于，为三维四向负刚度超材料结构或三维六向负刚度超材料结构；

所述的负刚度超材料结构，采用布拉菲点阵为负刚度超材料骨架，在每个点阵点处布置一个负刚度基元作为基本微结构，设置相邻负刚度基元之间通过短直梁连接，负刚度基元为周期性负刚度超材料的基本微结构，包括余弦形曲梁及其支撑框架；

所述的短直梁的两端分别为两个相邻基元的两组负刚度梁的中点，短直梁的轴线与这两组负刚度梁的方向重合，负刚度基元中负刚度余弦形曲梁方向和该基元与相邻基元的连线方向相同；

所述的布拉菲点阵包括：5种二维点阵和14种三维点阵。

2.根据权利要求1所述的多维多向负刚度超材料结构，其特征是，所述的负刚度梁是指：平面或空间余弦形曲梁，其方向定义为余弦形轴线平面内过梁中点的法线方向。

3.根据权利要求1所述的多维多向负刚度超材料构型，其特征是，其力学特性根据屈曲梁几何参数的不同而相应不同，单个余弦形曲梁的力学性质包括单调递增力-位移关系、单稳态非单调负刚度力-位移关系、双稳态非单调负刚度力-位移关系。

4.根据权利要求1-3中任一所述的多维多向负刚度超材料构型的制造方法，其特征在于，通过3D打印技术直接成型或通过常规加工方式分别制成屈曲构件与支撑构件经组装成型。

5.根据权利要求1-4中任一所述的多维多向负刚度超材料构型的应用，其特征在于，作为增加强度的填充材料和/或传感材料；

所述的增加强度，包括运动、武器攻击、工作操作工具内的填充材料、运载工具、工业结构、设备或装置内的填充材料；

所述的传感材料，设置于电子系统中的多稳态传感器、执行器、开关、流体泵、继电器。